Technologies that exploit the properties of quantum mechanics are suggested that will be the next major step in the evolution of information science and telecommunications, considering that the previous was the development of the micro-transistor and wireless communications. Characteristically, it is theoretically true that even small scale quantum computers could outperform the largest most powerful modern supercomputers, while quantum telecommunications could enable ultra fast, absolutely secure information exchange without loss of information even at very long distances. The importance of these technologies has naturally led public and private institutions to invest a lot of effort in research and development, especially the past two decades, and has lead to great technological developments and scientific breakthroughs. Nevertheless, to this date, none of these technologies has been demonstrated in a complete, autonomous and purely quantistic platform. Part of this is be- cause the quantum nature of the world is still not well understood, and basic principles are still puzzling the scientific community, and another part of it is because the current technologies are not capable to carry out efficiently complicated quantum processes. An intermediate solution to both these issues, has been suggested to be provided by quantum simulators, which are systems capable to perform or simulate simple quantum tasks; thus providing a platform that could potentially give better insight to the nature of quantum theory, and on the same time showcase the potential of quantum applications. In this thesis, femtosecond laser micromachining is employed in order to realise integrated photonic circuits, that allow to propagate, control and manipulate individual photons, in glass substrates. This technology, allows to develop in a simple manner, complicated optical apparatuses that are designed to emulate quantum processes using single photons. Effectively therefore, they are photonic quantum simulators. In this work particularly, the simulation of the evolution of multiple excitations in a spin chain is achieved for the first time, in an experiment that is a demonstration of a proper photonic quantum simulation. An experiment that tests the fundamental quantum property of quantum contextuality is per- formed, showing the potential of the platform to investigate fundamental physical concepts. Additionally, work on the development of a complete set of polarisation processing integrated components for the telecommunication wavelength has been conducted successfully, and also significant improvements on the fabrication process have been achieved allowing the realisation of larger waveguide arrays for multi-particle quantum walks.

Le tecnologie che sfruttano le proprietà della meccanica quantistica possono essere considerate il prossimo passo più significativo nell'evoluzione della scienza dell'informazione e delle telecomunicazioni, considerando che quello precedente è stato lo sviluppo dei micro-transistor e delle comunicazioni wireless (senza fili). Teoricamente, persino i computer quantistici di piccole dimensioni potrebbero superare, in quanto a prestazioni, i più grandi e potenti supercomputer, così come le telecomunicazioni quantistiche potrebbero consentire, in modo assolutamente sicuro, nonché senza il minimo rischio di perdita, lo scambio ultra-veloce di informazioni, perfino sulle più lunghe distanze. Naturalmente, l'importanza di tali tecnologie ha comportato negli ultimi due decenni un grande impiego, da parte di istituzioni sia pubbliche che private, di risorse nel campo della ricerca e dello sviluppo, dando adito ad importantissimi sviluppi tecnologici e scoperte scientifiche. Tuttavia, ad oggi nessuna di queste tecnologie è stata dimostrata su una piattaforma completa, autonoma e puramente quantistica. Questo in parte poiché la natura quantistica del mondo non è stata ancora compresa appieno ed i suoi principi basilari insinuano il dubbio nella comunità scientifica; in parte poiché le tecnologie odierne non sono in grado di supportare complicati processi quantistici. Una soluzione per entrambe le suddette questioni è stata proposta per essere messa in atto da simulatori, in grado di simulare o performare semplici imput quantistici, utilizzando così una piattaforma che potrebbe potenzialmente far intuire meglio la natura della teoria quantistica, ed allo stesso tempo dimostrerebbe il potenziale delle applicazioni quantistiche. In questa tesi, il femtosecond laser micromachining è stato utilizzato per realizzare circuiti fotonici integrati, che permettono di propagare, controllare e modificare singoli fotoni, in substrati di vetro. Questa tecnologia permette di sviluppare in maniera semplice complicati strumenti ottici, i simulatori quantici, designati all'emulazione di processi quantici attraverso l'uso di singoli fotoni. In particolare, questo esperimento, che è la dimostrazione di una vera e propria simulazione fotonica quantistica, ha permesso per la prima volta di raggiungere l'obiettivo di simulare l'evoluzione di multiple eccitazioni in una catena di spin ("catena di rotazione"). Un esperimento che testa la proprietà fondamentale del quanto nel contesto della fisica quantistica, dimostrando l'importanza della piattaforma nell'indagine dei fondamentali concetti della fisica. Inoltre, è stato condotto con successo un esperimento sullo sviluppo di un set completo di componenti integrate di processi di polarizzazione per la lunghezza d'onda delle telecomunicazioni. Ed infine sono stati raggiunti significanti miglioramenti nel processo della fabbricazione, permettendo la realizzazione di waveguide arrays ("schieramenti d'onda") per i percorsi di quanti multiparticellari.

Integrated quantum photonic simulators fabricated by femtosecond laser micromachining

PITSIOS, IOANNIS

Abstract

Technologies that exploit the properties of quantum mechanics are suggested that will be the next major step in the evolution of information science and telecommunications, considering that the previous was the development of the micro-transistor and wireless communications. Characteristically, it is theoretically true that even small scale quantum computers could outperform the largest most powerful modern supercomputers, while quantum telecommunications could enable ultra fast, absolutely secure information exchange without loss of information even at very long distances. The importance of these technologies has naturally led public and private institutions to invest a lot of effort in research and development, especially the past two decades, and has lead to great technological developments and scientific breakthroughs. Nevertheless, to this date, none of these technologies has been demonstrated in a complete, autonomous and purely quantistic platform. Part of this is be- cause the quantum nature of the world is still not well understood, and basic principles are still puzzling the scientific community, and another part of it is because the current technologies are not capable to carry out efficiently complicated quantum processes. An intermediate solution to both these issues, has been suggested to be provided by quantum simulators, which are systems capable to perform or simulate simple quantum tasks; thus providing a platform that could potentially give better insight to the nature of quantum theory, and on the same time showcase the potential of quantum applications. In this thesis, femtosecond laser micromachining is employed in order to realise integrated photonic circuits, that allow to propagate, control and manipulate individual photons, in glass substrates. This technology, allows to develop in a simple manner, complicated optical apparatuses that are designed to emulate quantum processes using single photons. Effectively therefore, they are photonic quantum simulators. In this work particularly, the simulation of the evolution of multiple excitations in a spin chain is achieved for the first time, in an experiment that is a demonstration of a proper photonic quantum simulation. An experiment that tests the fundamental quantum property of quantum contextuality is per- formed, showing the potential of the platform to investigate fundamental physical concepts. Additionally, work on the development of a complete set of polarisation processing integrated components for the telecommunication wavelength has been conducted successfully, and also significant improvements on the fabrication process have been achieved allowing the realisation of larger waveguide arrays for multi-particle quantum walks.
TARONI, PAOLA
RAMPONI, ROBERTA
7-lug-2017
Le tecnologie che sfruttano le proprietà della meccanica quantistica possono essere considerate il prossimo passo più significativo nell'evoluzione della scienza dell'informazione e delle telecomunicazioni, considerando che quello precedente è stato lo sviluppo dei micro-transistor e delle comunicazioni wireless (senza fili). Teoricamente, persino i computer quantistici di piccole dimensioni potrebbero superare, in quanto a prestazioni, i più grandi e potenti supercomputer, così come le telecomunicazioni quantistiche potrebbero consentire, in modo assolutamente sicuro, nonché senza il minimo rischio di perdita, lo scambio ultra-veloce di informazioni, perfino sulle più lunghe distanze. Naturalmente, l'importanza di tali tecnologie ha comportato negli ultimi due decenni un grande impiego, da parte di istituzioni sia pubbliche che private, di risorse nel campo della ricerca e dello sviluppo, dando adito ad importantissimi sviluppi tecnologici e scoperte scientifiche. Tuttavia, ad oggi nessuna di queste tecnologie è stata dimostrata su una piattaforma completa, autonoma e puramente quantistica. Questo in parte poiché la natura quantistica del mondo non è stata ancora compresa appieno ed i suoi principi basilari insinuano il dubbio nella comunità scientifica; in parte poiché le tecnologie odierne non sono in grado di supportare complicati processi quantistici. Una soluzione per entrambe le suddette questioni è stata proposta per essere messa in atto da simulatori, in grado di simulare o performare semplici imput quantistici, utilizzando così una piattaforma che potrebbe potenzialmente far intuire meglio la natura della teoria quantistica, ed allo stesso tempo dimostrerebbe il potenziale delle applicazioni quantistiche. In questa tesi, il femtosecond laser micromachining è stato utilizzato per realizzare circuiti fotonici integrati, che permettono di propagare, controllare e modificare singoli fotoni, in substrati di vetro. Questa tecnologia permette di sviluppare in maniera semplice complicati strumenti ottici, i simulatori quantici, designati all'emulazione di processi quantici attraverso l'uso di singoli fotoni. In particolare, questo esperimento, che è la dimostrazione di una vera e propria simulazione fotonica quantistica, ha permesso per la prima volta di raggiungere l'obiettivo di simulare l'evoluzione di multiple eccitazioni in una catena di spin ("catena di rotazione"). Un esperimento che testa la proprietà fondamentale del quanto nel contesto della fisica quantistica, dimostrando l'importanza della piattaforma nell'indagine dei fondamentali concetti della fisica. Inoltre, è stato condotto con successo un esperimento sullo sviluppo di un set completo di componenti integrate di processi di polarizzazione per la lunghezza d'onda delle telecomunicazioni. Ed infine sono stati raggiunti significanti miglioramenti nel processo della fabbricazione, permettendo la realizzazione di waveguide arrays ("schieramenti d'onda") per i percorsi di quanti multiparticellari.
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